2.3. Применение интерференции света

2.3.1. Интерференционные явления обусловлены волновой приро­дой света и их количественные закономерности зависят от длины волны . Измеряя расстояния между полосами в опыте с биприз­мой Френеля или радиусы колец Ньютона, можно определить длины волн световых лучей. Такова первая группа применений интерференционных явлений, имеющая принципиальное значе­ние, — доказательство волновой природы света и измерение длин волн.

2.3.2. Правильная форма колец Ньютона (рис. 2–6,б) искажается при всяких, даже незначительных, дефектах в обработке выпуклой поверхности линзы и верхней поверхности пластины. Поэтому наблюдение формы колец Ньютона позволяет осуществлять быстрый и весьма точный контроль качества шлифовки плоских пластин и линз, а также бли­зость поверхностей линз к сферической форме.

2.3.3. Возможность ослабления отраженного света в тонких пленках вследствие интер­ференции широко используется в опти­ческих приборах: фотоаппаратах, биноклях, перископах и др. Дело в том, что часть световой энергии отражается от поверхностей линз; это заметно снижает яркость и контрастность изображения рассматриваемых (или фотографируемых) объектов и создает блики. Для устранения этого на передние поверхности имеющихся в них линз и призм наносят тонкие прозрачные пленки, абсолютный показатель преломления которых n_п меньше абсолютного показателя преломления n для ма­териала линзы или призмы. Толщина пленки подбирается таким об­разом, чтобы осуществлялся интерференционный минимум отражения для света с длиной волны   5,510^-7м (зеленый свет), которая соответствует наибольшей чувствительности человеческого глаза. Такая оптика получила название просветленной оптики. В отражен­ном свете просветленные линзы и призмы кажутся окрашенными в фиолетовый цвет, так как они заметно отражают только красный и сине-фиолетовый свет. Обычно на поверхность линз наносят пленку из кремнезема или из фторис­тых солей. Кроме того, просветляющую пленку можно создать непосредствен­но на поверхности линзы путем обработки этой поверхности растворами кис­лот (метод И. В. Гребенщикова).

2.3.4. Явление интерференции также приме­няется в очень точных измерительных при­борах — интерферометрах. Все интерферометры основаны на одинаковом принципе и различаются лишь конструкционно.

На рис. 2-8 приведена схема интерферометра Майкельсона. Монохроматический свет от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку P₁. Сторо­на пластинки, удаленная от S, посеребренная и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч 1 (отражается от посе­ребренного слоя) и луч 2 (проходит через него). Луч 1 отражается от зеркала M₁ и возвращаясь вновь проходит че­рез пластинку P₁ (луч 1'). Луч 2 идет к зеркалу M₂, отражается от него, воз­вращается обратно и отражается от пластинки P₁ (луч 2'). Так как первый из лучей проходит пластинку P₁ дважды, то для компенсации возникающей разности хода на пути второго луча ставится пластинка P₂ (точно такая же, как и P₁, только не покрытая слоем серебра).

Т ак как лучи 1' и 2' когерентны, то наблюдается интерференция, вид которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зерка­ла M₁ и луча 2 от точки О до зеркала M₂. При перемещении одного из зеркал на расстояние /4 разность хода обоих лучей увеличится на /2 и освещенность зрительного поля изменится. Даже по незначительному смещению картины интерференции можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр Майкельсона для точного (порядка 10^-7 м) из­мерения длин (измерения длины тел, длины световой волны, изменения длины тела при изменении температуры (интер­ференционный дилатометр)).

Этот интерферометр сыграл фундаментальную роль в разви­тии науки и техники. С его помощью впервые была измерена длина световой волны, проведено изучение тонкой структуры спектральных линий, выполнено первое прямое сравнение эта­лонного метра с определенной длиной волны света. С помощью этого интерферометра был осуществлен знаменитый опыт Майкельсона-Морли, доказавший независимость скорости света от движения Земли.

2.3.5. Рассмотрим теперь прибор, существенная часть которого состо­ит из двух идентичных плоскопараллельных пластинок толщины h и показателем преломления n — интерферометр Жамена (рис. 2.9).

При падении пучка света на первую пластинку (на рисунке показан только один луч) часть лучей отра­зится от передней грани пластинки, а часть, преломившись, отразится от задней грани; таким образом, из пластинки выйдут два выходят два коге­рентных параллельных луча.

П ройдя сквозь совершенно одинаковые закрытые стеклянные кюветы К₁ и К₂ (длина кювет l), каждый из лучей, попадая на вторую пластинку, опять раздвоится, и из второй пластин­ки выйдут уже четыре пучка. Лучи 1 и 4 не попадают в оправу объектива, а лучи 2 и 3 собираются линзой и интерферируют.

Полосы интерференции рассматриваются с помощью окуляра, который на рисунке не показан. Если одну из кювет заполнить газом, имеющим известный абсолютный показа­тель преломления n₁, а вторую — газом, показатель преломления n₂ которого измеряется, то между интерферирующими лучами возник­нет оптическая разность хода, равная . Соответственно произойдет смещение интерференционной картины на полос, причем

Например, при l=5 см и =0,5 мкм смещению полос на 0,1 их ширины, которое еще можно зарегистрировать, соответствует очень малое изменение разности (n₂— n₁):

Таким образом, интерферометр Жамена можно использовать для определения ничтожного изменения показателя преломле-ния, например, при изменении температуры газа или прибавлении посторонних примесей. В соответствии с этим его нередко называют интерферен­ционным рефрактометром. Как показано выше, он крайне чувствите­лен к незначительным изменениям показателя преломления. Однако определение абсолютного значения самого показателя преломления при помощи этого прибора довольно затруднительно. Обычно его применяют таким образом, что сравнивают интересующий нас газ с каким-либо хорошо изученным газом, например, воздухом.